强夯置换处理软土地基工程的应用研究

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摘要：简述软土的工程特性，强夯置换法的工作原理及工艺流程，根据山东省滨德高速公路软基处理工程实例，分析强夯置换对软土地基的处理效果。总结施工经验，对该地区强夯置换施工提出可行性建议。

关键字：软土 工程特性 软基处理 强夯 强夯置换

中图分类号：TU47 文献标识码：A

1 软土的工程特性

  软土的性质与地基土的成层构造、沉积年代、成因类型有密切关系。不同年代和成因的软土，其物理性质指标尽管可能相近，但作为地基，工程性质却可能相差很大。  (1)含水量较高。因为软土的成分主要是由粘土粒组和粉土粒组组成，并含少量的有机质。粘粒的矿物万分之二为蒙脱石、高岭石和伊利石。这些矿物晶粒很细，呈薄片状，表面带负电荷，它与周围介质的水和阳离子相互作用，形成偶极水分子，并吸附于表面形成水膜，在不同的地质环境下沉积形成各种絮状结构。因此这类土的含水量比较高。  (2)透水性差。软土的渗透系数一般在1×10-6～1×10-8cm/s之间，所以在荷载作用下固结速度很慢。当地基中有机质含量较大时，土中可能产生气泡，堵塞渗流通道而降低其渗透性。所以在软土层上的建筑物基础的沉降拖延很长时间才能稳定，同样在荷载作用下地基土的强度增长也是很缓慢的。  (3)压缩性较高。一般正常固结的软土层的压缩系数约为0.5～1.5Mpa-1，最大可达到4.5Mpa-1；压缩指数约为0.35～0.75。天然状态的软土层大多数属于正常固结状态，但也有部分是属于超固结状态，近代海岸滩涂沉积为欠固结状态。欠固结状态土在荷重作用下产生较大沉降。超固结状态土，当应力未超过先期固结压力时，地基的沉降很小。  (4)流变性强。在荷载的作用下，软土承受剪应力的作用产生缓慢的剪切变形，并可能导致抗剪强度的衰减，在主固结沉降完毕之后还可能继续产生可观的次固结沉降。 

2 软弱地基的主要处理方法

目前软基处理的主要方法有： (1)换填垫层法。换填垫层法主要作用是提高地基的承载力。其方法是将基底下一定范围内的软弱土挖去，换填砂、碎石和素土等散体料，并分层夯实成低压缩性的地基持力层。  (2)挤密法。挤密法即先往土中打入桩管成孔，然后在孔内填入砾石、砂、石灰，灰土等捣实而成。此法适用于含砂粒、瓦屑的杂填土及含砂量较多的松散土地基，对粘性大的饱和软土地基，由于渗透性小，在加固过程中不能排出很多水分，故挤密效果不大。  (3)深层搅拌法。此法通过特制的搅拌轴的轮叶，从地面开始破土搅拌至加固的深度，打开阀门将水泥浆或水泥粉由搅拌头注入地基中，用搅拌头强制搅拌均匀。  (4)灌浆法。用钻机成孔，将注浆管放入孔中需要灌浆的深度，钻孔四周顶部封死。启动压力泵，将搅拌均匀的水泥浆或水泥砂浆压入土的孔隙和岩石的裂隙中，同时挤出土中的自由水。水泥浆凝固后，土体与岩石裂隙胶结成整体。此法基本上不改变原状土的结构和体积，所用灌浆压力较小。适用于卵石、中、粗砂和有裂隙的岩石。如是粘性土，则用较高的压力灌入浓度较大的水泥浆或水泥砂浆。  (5)强夯法。强夯法是将重锤起重到一定高度，然后自由下落，重复夯打，以加固地基，使强度提高，压缩性减小。强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。。

(6)强夯置换法。强夯置换法可以说是在强夯的基础上对软土地基进行加固的一种方法。它的加固机理与强夯法不同，强夯置换法适用于高饱和度的粉土与软塑～流塑的粘性土等地基工程。

3 强夯及强夯置换

3.1 概述

工程实践表明，强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点，因而被世界各国工程界所重视。对各类土强夯处理都取得了十分良好的技术经济效果。

当前，应用强夯法和强夯置换法处理的工程范围极为广泛，有工业与民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。总之，强夯法在某种程度上比机械的、化学的和其它力学的加固方法更为广泛和有效。

3.2 加固机理

强夯法是利用强大的夯击能给地基一冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤压。目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换，它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。(1)动力密实 采用强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度。非饱和土的夯实过程，就是土中的气相(空气)被挤出的过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。实际工程表明，在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击一遍后，其夯坑深度可达0.6～1.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高2～3倍。非饱和土在中等夯击能量1000～2000kN•m的作用下，主要是产生冲切变形，在加固深度范围内气相体积大大减少，最大可减少60%。

(2)动力固结用强夯法处理细颗粒饱和土时，则是借助于动力固结的理论，即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变性，强度得到提高。

(3)动力置换

动力置换可分为整式置换和桩式置换。整式置换是采用强夯将碎石整体挤入淤泥中，其作用机理类似于换土垫层。桩式置换是通过强夯将碎石填筑土体中，部分碎石桩(或墩)间隔地夯入软土中，形成桩式(或墩式)的碎石墩(或桩)。其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩，它主要是靠碎石内摩擦角和墩间土的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土起复合地基的作用。

3.3 强夯置换法的设计

3.3.1 有效加固深度

有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据，又是反映处理效果的重要参数。一般可按下列公式估算有效加固深度：

式中M——夯锤重力

h——落距

k——折减系数，与土质、锤型、施工工艺等有关，一般粘性土取0.5，砂性土取0.7，黄土取0.35～0.5。

3.3.2 夯锤和落距

单击夯击能为夯锤重与落距的乘积。一般说夯击时最好锤重和落距大，则单击能量大, 夯击击数少, 夯击遍数也相应减少, 加固效果和技术经济较好。整个加固场地的总夯击能量(即锤重×落距×总夯击数)除以加固面积称为单位夯击能。强夯的单位夯击能应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑，并可通过试验确定。在一般情况下，对粗颗粒土可取1000～3000kN•m/m2， 对细颗粒土可取1500～4000kN•m/m2。

一般国内夯锤可取10～25t。夯锤材质最好用铸钢，也可用钢板为外壳内灌混凝土的锤。夯锤的平面一般为圆形，夯锤中设置若干个上下贯通的气孔，孔径可取250～300mm，它可减小起吊夯锤时的吸力；又可减少夯锤着地前的瞬时气垫的上托力。锤底面积宜按土的性质确定，锤底静压力值可取25～40kPa，对砂性土和碎石填土，一般锤底面积为2～4m2；对一般第四纪粘性土建议用3～4m2；对于淤泥质土建议采用4～6m2；对于黄土建议采用4.5～5.5m2。同时应控制夯锤的高宽比，以防止产生偏锤现象，如黄土，高宽比可采用1:2.5～1:2.8。

夯锤确定后，根据要求的单点夯击能量，就能确定夯锤的落距。国内通常采用的落距是8～25m。对相同的夯击能量，常选用大落距的施工方案，这是因为增大落距可获得较大的接地速度，能将大部分能量有效地传到地下深处，增加深层夯实效果，减少消耗在地表土层塑性变形的能量。

3.3.3夯击点布置及间距

  (1)夯击点布置夯击点布置一般为三角形或正方形。强夯处理范围应大于建筑物基础范围，具体的放大范围，可根据建筑物类型和重要性等因素考虑决定。对一般建筑物，每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2～2/3，并不宜小于3m。(2)夯击点间距夯击点间距(夯距)的确定，一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定。第一遍夯击点间距可取夯锤直径的2.5～3.5倍，第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间，以后各遍夯击点间距可适当减小。以保证使夯击能量传递到深处和保护夯坑周围所产生的辐射向裂隙为基本原则。

3.3.4 夯击击数与遍数 (1)夯击击数每遍每夯点的夯击击数应按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定，且应同时满足下列条件： a. 最后两击的夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能小于4000kN•m时为50mm；当单击夯击能为4000～6000kN•m时为100mm；当单击夯击能大于6000kN•m时为200mm。

b.夯坑周围地面不应发生过大隆起。

c.不因夯坑过深而发生起锤困难。总之，各夯击点的夯击数，应使土体竖向压缩最大，而侧向位移最小为原则，一般为4～10击。

(2)夯击遍数夯击遍数应根据地基土的性质和平均夯击能确定。可采用点夯2～3遍，对于渗透性较差的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加。最后再以低能量满夯2遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印彼此搭接。

3.3.5 间歇时间各遍间的间歇时间取决于加固土层中孔隙水压力消散所需要的时间。对砂性土，孔隙水压力的峰值出现在夯完后的瞬间，消散时间只有2～4min，故对渗透性较大的砂性土， 两遍夯间的间歇时间很短，亦即可连续夯击。对粘性土，由于孔隙水压力消散较慢，故当夯击能逐渐增加时，孔隙水压力亦相应地叠加，其间歇时间取决于孔隙水压力的消散情况，有时根据施工流水顺序先后，两遍间也能达到连续夯击的目的。

3.3.6 强夯置换材料选择

强夯置换墩体材料可采用级配良好的块（片）石、碎石、矿渣等坚硬粗颗粒材料，粒径不宜大于夯锤底面积直径的0.2倍，含泥量不宜大于10%，粒径大于300mm 的颗粒含量不宜超过全重的30%。

3.3.8 质量检验 强夯及强夯置换施工结束后应间隔一定时间方能对地基加固质量进行检验。对碎石土和砂土地基，其间隔时间可取1～2周；对粉土和粘性土地基可取2～4周。强夯置换地基间隔时间可取4周。

强夯置换后的地基竣工验收时，承载力检验除应采用单墩载菏试验检验外，尚应采用动力触探等有效手段查明置换墩着底情况及承载力与密度随深度的变化， 对饱和粉土地基允许采用单墩复合地基载荷试验代替单墩载荷试验。

竣工验收承载力检验的数量，应根据场地复杂程度和建筑物的重要性确定，对于简单场地上的一般建筑物，每个建筑地基的载荷试验检验点不应少于3 点； 对于复杂场地或重要建筑地基应增加检验点数。强夯置换地基载荷试验检验和置换墩着底情况检验数量均不应少于墩点数的l%，且不少于3 点。

检验墩直径与深度应符合设计要求。

4 工程实例分析

4.1 工程概况

滨州至德州公路时国家重点公路东营至香港公路滨州至衡水支线的重要路段，该路段在山东省境内途经滨州和德州两市。滨德高速九合同段的工程路线处于德州市宁津县和陵县境内，本合同路线所经区域处于鲁北黄泛平原较稳定工程地质区，第四系冲积物以亚砂土、亚粘土夹粉细砂为主，多层结构居多，上层多为粘性土，厚度为10～20米和5～10米，一般地基允许承载力在90～130kPa。淤泥类土较广泛，埋深一般大于10米，对一般工程建筑基础影响不大。

根据《公路路基设计规范》对桥台与相邻路基沉降要求，一般桥头地基优先采用强夯处理距离村庄较近（﹤150m）的桥头路段，采用粉喷桩处理。对于路基填土高度小于5m，桥头处理路段长度不小于30m；路基填土高度大于5m小于7m，处理路段长度不小于40m；路基填土高度大于7m，处理桥头路段长度不小于50m。

滨德九合同段设计强夯处理共58个桥头段。其中有8个桥头软基处理段地势低洼，地下水位较高，土质复杂，降水困难，无法按照原设计方案进行强夯施工，因此在低洼段采取强夯置换处理，总面积为22485㎡。

根据《滨德高速公路路基处理第三次会议纪要》精神，我项目部按会议纪要中第二条方案进行处理。在进行大面积强夯置换施工前，我部选择K102+148.5～K102+178.5段作为路基强夯置换验夯段，该段处于低洼段路线最后一段，地下水位在2m左右，通过对各个段落的现场考察，该强夯置换段地质概况，土质类型具有代表性。通过试夯，确定合理的强夯参数和工艺，为以后施工提供技术指导。

4.2 试验方案编制依据

（1）《公路路基施工技术规范》JTGF10-2006

（2）《地基处理技术规范》JGJ79-2002

（3）《公路冲击碾压应用技术指南》

（4）《滨德高速公路地基处理第三次会议纪要》

4.3 强夯置换材料、深度

本合同段强夯置换所用的材料为建筑砖渣，由专人到德州市及附近位置负责采购，对建筑垃圾粒径、含灰含土量进行严格把关。根据《滨德高速公路地基处理第三次会议纪要》精神，强夯置换深度为强夯达到止夯条件的深度，而试验段k102+148.5～k102+178.5达到止夯条件的深度一般在1.5m左右，故回填建筑垃圾的深度也在1.5m左右。

4.4 试验工艺及试验过程

为了提供可靠的依据和指导，确定正式施工的技术工艺参数，在K102+148.5～K102+178.5作为强置换试夯区域，该施工段总共1272平方。施工中做好现场测试和记录，基本测试项目包括夯点沉降，冲击振动的影响范围和夯击次数。

设计锤重100KN，锤底直径2.25m的圆形铸铁锤，强夯单击夯击能1500kn.m。强夯夯点采用正方型布置，夯点间距6m。根据图纸设计要求我部在试夯段采用锤底直径2.3m的圆形铸铁锤，带4个排气孔。锤重128KN，经计算实际提升高度为11.71m，实际钢丝绳长度经测量为13.6m。以上设备完全满足设计要求。

K148.5～K102+178.5强夯置换段夯点位置标示图

注：奇数行为点夯一遍点，偶数行为点夯二遍点。

本强夯置换段所使用的机械设备如下表所示：

强夯置换机械设备总览

名称 规格型号 吨位 数量 产地

履带式强夯机 SD408 50T 1台 杭州

推 土 机 T-140 ---- 1台 河北宣化

发 电 机 100kw ---- 2台 ----

装载机 徐工 22T 1台 德州

拓普康全站仪 GTS-336 ---- 1台 日本

水准仪 NA730 ―― 1台 江苏 苏州

夯 锤 锤底直径2.3 12.8T 1个 ----

山东滨德高速九合同强夯置换地基施工质量控制标准：

（1）夯锤重量：12.8t；夯底面积：4.15m2。其中夯锤上有四个直径为20cm的排气孔。

（2）落距：点夯垂直落距12m，满拍垂直落距为6m。

（3）夯点间距：夯点间距为6m正方形布置。

（4）夯击能量：1500KN.m， 满拍夯击能量：800KN.m

（5）点夯遍数和满拍遍数：点夯遍次数为2遍，满拍遍数为2遍。

强夯置换施工工艺：

（1）利用全站仪，测放好平边界桩，用白灰洒出夯位轮廓线。推土机到强夯地段将场地推平，平整的场地比设计稍大。（设计边线出去两米以上）。测量夯前地表的标高作好记录工作。

（2）场地清理平整后测量人员将第一遍夯点位置放样放出来用白灰标出。标出第一遍夯点位置。并在强夯范围外设置坐标控制网点基桩，同时在其周围合理布置水准点作为控制高程、路基沉降的依据。强夯夯点采用正方形布置，夯点间距为6米。复核完毕后，请监理工程师进行了验收。

（3）采购建筑垃圾，并严格控制粒径及含土量。根据强夯置换区域面积大小，估算建筑垃圾用量，运送并堆积至强夯段落附近。

（4）起重机就位。

（5）架设水准仪，由专人立杆，测量夯前锤顶高程

(6）保证履带吊位置不动，对同一夯点进行点夯施工，至夯坑深度不小于1.5m后，停止点夯。

（7）利于装载机往夯坑内回填砖渣，回填高度至坑点平面。

（8）夯实回填夯坑，以最后两击平均沉降量小于5cm作为止夯条件。

（9）继续往夯坑内回填建筑垃圾，重复（8）步骤。完成第一遍全部夯点的夯击。

（10）用推土机将夯坑推平

（11）间歇时间在48小时后，重复（3）~（10）完成第二遍夯点的夯击

（12）间歇48小时后进行低能量满夯，满拍夯击能为800KN.m,满拍落距为6m，采用低落距锤多次夯击，锤印彼此搭接1/4个夯锤直径。夯击完成后用推土机平整场地。

（13）间歇48小时后用低能量满夯第二遍施工。

（14）测量夯后地面高程。

（15）检测验收。

5 结束语

通过工程实例分析，总结强夯置换法对软土地基的处理效果。强夯置换后消除了地基土的液化，有效提高了地基的承载能力，使地基的沉降量明显减少，其有效加固深度较普通强夯加固深度（同夯击能）有较大提高，使桥头跳车现象得到了一定程度的防治作用。本片文章强夯置换法对该地区的软基处理施工具有指导意义。

参考文献

［1］ 公路路基施工技术规范. JTG F10-2006

［2］ 地基处理技术规范. JGJ79-2002

［3］ 师旭超，吴洪强，郭呈周．动力固结法加固软粘土地基试验研究［J］．

［4］ 周德泉，张可能等．强夯加固填土的效果与机理分析［J］．

［5］ 滨州至德州（鲁冀界）高速公路施工技术规范. 

［6］ 滨德高速公路地基处理第三次会议纪要.

作者介绍：李俊雄男1985.8.18本科助理工程师

张二峰男1985.9.16本科助理工程师